轉爐煉鋼汽化冷卻蒸汽平衡及飽和蒸汽發電研究

劉艷軍，施國華，嵇 鵬，張 潔

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

引言

煉鋼轉爐生產會產生大量高溫煙氣，為利用此煙氣余熱，每臺轉爐將會裝設1臺汽化冷卻煙道和1個汽包，在冷卻煙罩和煙氣的同時，生產蒸汽供全廠合理利用，以達到全廠節能降耗的目的。由于轉爐生產工藝間斷性和波動性的特點，其余熱鍋爐產汽過程也是非連續和波動的，且瞬時流量比較大，為調控蒸汽供需平衡和壓力穩定，所產蒸汽將送至蒸汽蓄熱器，通過蓄熱器來調節供汽量和供汽壓力。

蒸汽蓄熱器[1]是利用水的蓄熱功能將熱能以飽和水的形式儲存起來，在用戶用汽時，部分飽和水閃蒸轉換為飽和蒸汽，通過廠區管網送至用戶。

為防止汽輪機腔內含濕量增加，損害汽輪機葉片，常規蒸汽發電所用蒸汽是過熱蒸汽，但是隨著汽輪機設計和制造水平的提高，中低壓飽和蒸汽發電已經是一項較為成熟的技術，在鋼鐵企業和其他行業都已有許多成功的案例[2-4]，由此可見飽和蒸汽發電在技術上是可行的。

1 廠區蒸汽平衡情況

為確定該廠所上汽輪機組的容量，掌握該廠蒸汽平衡情況是很有必要的，也是必須的。該廠現有2臺生產能力為155 t的轉爐和1精煉爐（RH爐），配套3 臺192 m3蓄熱器，同時該廠將在2019 年新投入1臺155 t的轉爐，3臺余熱鍋爐平均產汽量16.5 t/h,總產量49.5 t/h。蒸汽消耗量23 t/h（RH 爐生產時）,RH 爐不生產時為0。蒸汽平衡后余量26.5～49.5 t/h。正常情況下，考慮廠區管網的汽水損失（按5%計），整個管網最大蒸汽富裕量將達到47.03 t/h，最小量為25.18 t/h，其中最大富裕量時間占比達44%。若該廠不引入飽和蒸汽發電項目，在3#轉爐投用后，將出現大量的蒸汽富裕，為保證管網的安全運行，此部分蒸汽只能排放，這樣會造成資源的浪費和白色污染問題。可見，引入飽和蒸汽發電是非常迫切的。

2 飽和蒸汽發電原則性系統圖

該蒸汽飽和發電系統主要有轉爐汽化冷卻蒸汽系統、蓄熱器系統、汽輪發電機系統、循環水系統等，其原則系統圖如圖1 所示。汽化冷卻生產的蒸汽送至蓄熱器后，在保證RH 爐用蒸汽的同時，富裕蒸汽送至汽輪機發電，過程中蒸汽轉化為凝結水，循環利用。

圖1 轉爐汽化冷卻系統流程圖

將富裕蒸汽進行發電，實現余熱蒸汽有效利用，同時回收了大量凝結水，得以循環利用，在獲得經濟效益的同時也解決了蒸汽放散造成困擾企業多年的白色污染問題。

3 蒸汽發電系統

正常生產情況下RH 生產用汽壓力為1.0 MPa，考慮最大限度利用蓄熱器的調節能力，結合管道阻力損失情況，為確保在最低蒸汽量下機組能安全運行，確定汽輪發電機組進汽壓力為0.8 MPa；整個管網最大蒸汽富裕量為47.03 t/h，最小蒸汽富裕量為25.18 t/h，按照最大蒸汽工況，兼顧最小蒸汽負荷情況，選定汽輪發電機組功率為6 MW。

3.1 主要發電設備及其附屬設施參數

本工程采用某汽輪機廠生產的純凝汽式汽輪機和某發電設備有限公司生產的發電機，主要技術數據如下：

(1)汽輪機

型號：N6-0.80;

進汽壓力：0.8 MPa;

進汽溫度：170.5 ℃;

額定轉速：3000 r/min;

額定進汽流量：47.8 t/h;

額定排汽壓力：＜9.0 kPa(a);

額定汽耗率：7.96 kg/kWh。

（2）發電機

型號：QF-J6-2；

額定電壓：10.5 kV;

額定功率：6 MW;

額定轉速：3000 r/min;

功率因數：0.8 (滯后);

額定頻率：50 Hz。

考慮廠區位于南方，濕球溫度為28.5 ℃，凝汽器循環水循環倍率按照55設計，附加發電機冷卻用水和冷油器用水，該循環水設計能力擬按3000 m3/h考慮。

3.2 廠房布置

新建汽輪發電機廠房采用雙層布置形式，采用混凝土排架結構，鋼結構屋面，建筑物軸線尺寸為30 m×18 m；汽機房運轉層采用島式布置，運轉層7.0 m，中間夾層4.0 m；配電室設置在副跨，采用混凝土框架結構，建筑物軸線尺寸為12 m×18 m。廠房采用無人值守模式，不單獨設置控制室，控制設備統一設置在全廠操控中心。汽機房設施一臺20/5 t電動雙梁橋式起重機，供汽輪機檢修使用。

循環水泵房為單層布置，建筑物軸線尺寸為30 m×10 m，設有一臺3 t電動手拉葫蘆，供檢修使用。

4 技術節能效果評價

4.1 能源構成及計算原則

改造前，多余蒸汽直接排空。

改造后，蒸汽送至汽輪發電機房推動汽輪機發電，同時回收所產生的凝結水。

與改造前相比（多余蒸汽直接放散），本工程回收了蒸汽的部分熱值，轉化為電能，回收了凝結水；但在生產過程中消耗了能源及耗能工質，主要有：工業新水、電站內設備耗電。因此，本工程中富裕蒸汽回收能與所投入能源（水和自耗電）、改造前的節能量之差為本工程的節能量。

4.2 產出能源

年發電量3119.2×104kW·h，年供電量2807.3×104kW·h

4.3 消耗能源

電站工業新水年消耗量：53×104m3/a；站用電耗電量：311.9×104kW.h/a。

各能源折算標煤系數按《節能技術改造項目節能量確定原則和方法》執行，折算結果如表1所示。

表1 節能經濟指標

由表1可以看出，若蒸汽全部放散，則每年將損失30696.82 t標煤。通過汽輪發電機組可以每年回收約4693.80 t 標煤。在回收過程中消耗電和工業新水，折標量為428.77 t標煤，最終年節約標煤量為4265.03 t。折合年減排CO2量10662.575 t，節能減排效果顯著。

5 經濟效益分析

5.1 成本分析

(1)新增的動力消耗主要為補充工業水，每年53萬t。

(2)固定資產的殘值率取5%，統一按照折舊年限15年計提折舊。

(3)新增修理費（包括備品備件、外委維修等）按照固定資產投資的3%計提。

5.2 經濟效益

新建汽輪發電機后，新增供電量2807.28 萬kW·h，新增冷凝水23.87萬t/a，其中電價按照0.4867元/kW·h，凝結水成本為7.0元/t。

5.3 技術經濟指標分析

基于以上分析，全部投資回收期（含建設期一年）為4.06 年，全部投資回收期比較短，同時項目內部收益率比行業標準收益率高20多個基點，說明本項目有比較好的資金盈利能力和投資回收能力。項目運行達到設計的17.68%即可以到達盈虧平衡,項目盈虧平衡點比較低，表明本項目具有比較好的抗風險能力。

6 總結

轉爐汽化冷卻蒸汽發電項目，無需額外增加燃料消耗，在回收余熱資源的同時，解決了困擾企業多年的白色污染問題，同時提高了廠區自發電率，降低了綜合產品能耗；項目投資回收期較短，具有較強的盈利能力和抗風險能力。